基于單片機的校園安防系統研究

邢婷婷 林菡 陳麗娟

摘 ?要： 學校是國家培養人才的重要場所和機構，學校的安全也受到越來越多社會人士的關注，隨著我國高等教育改革的不斷深化，對校園的安全管理也提出了新的要求，本項目以此為立題依據，考慮到學校的特殊性以及綜合經費情況，參考國內外關于小區及校園的安防系統研究，旨在基于單片機建立一個相對完善且經濟實用的校園安防系統。

關鍵詞： 單片機;高校;安防系統

中圖分類號： TP368.1 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.011

本文著錄格式：邢婷婷，林菡，陳麗娟. 基于單片機的校園安防系統研究[J]. 軟件，2019，40（5）：5356

【Abstract】： The security of campus gains the increasing concerns of whole society for which campus is a vital institution to cultivate talents for nation. With the deepening of China's higher education reform， the requirement， which is come up with， to security management of campus. Based on the above， with consideration of particular application scenarios and expenditure situation， referring to the related researches of housing estate and campus at home and abroad， this project was put forward， which aimed at establishing a comparatively perfect， economic and practical campus security system.

【Key words】： SCM; Campus; Security and protection system

0 ?引言

高校占地面積大且相對開放，人員流動量大。校園內設教學樓、行政樓、圖書館、體育館、學生宿舍等建筑，建筑呈現多樣性，且對安防的要求不一。再者學校安防管理人員有限，依靠安防管理部門預防險情是不切實際的，因此還應該配合校園安防系統，實現以預警為主，后期處理為輔，實時確保學校的財產和生命安全。

為實現校園安全管理的任務，本文提出一種基于單片機的校園安防系統。系統包含視頻監控、報警管理、車輛管理、人員管理等功能，同時還應實現數據的實時傳輸，以單片機為中央處理器，能夠進行防火防盜，處理各種突發狀況。

1 ?總體設計

本系統是以高校校園為設計主體的基礎整體防護系統，系統包括視頻監控系統、報警管理系統、車輛管理系統、人員管理系統等。本系統以C8051F020單片機作為中央處理器，以CP2200芯片作為網絡控制芯片，具備視頻采集模塊、防入侵模塊、火災探測模塊、顯示模塊、溫濕度采集模塊、數據傳輸模塊等功能[1]。系統通過前端設備進行檢測和數據收集，將采集信息傳輸給核心模塊，核心模塊按照預先編譯的程序將收集的信息進行處理和保存，再通過數據傳輸模塊將數據報告到監控中心，監控中心遠程給出下一步指令或通知相關安防管理人員進行處理。校園安防系統總體設計如圖1所示。

2 ?系統模塊設計

2.1 ?主控模塊

本設計綜合考慮了資金、功耗以及穩定性等多方面因素，最終確定C8051F020單片機作為系統的核心器件。C8051F020采用了流水線處理結構，時鐘系統更加完善，運行速度更快，能夠滿足安防系統信息的實時處理[2]。C8051F020擁有8個8位的輸入/輸出端口，大量減少了外部連線和器件擴展，滿足了對視頻采集模塊、防入侵模塊、火災探測模塊、顯示模塊、溫濕度采集模塊、數據傳輸模塊等模塊的端口分配，有利于提高可靠性和抗干擾能力。另外C8051F020內部還帶有數據采集所需的ADC和DAC，且外設增添了三個串行口，能充分滿足系統對主控模塊的要求。

2.2 ?視頻監控模塊

校園安防系統的構建主要是在校園主要路口，建筑物門前及走廊內安放攝像探頭，由于所采集的信息量巨大，單片機的存儲容量小，因此單片機主要承擔將采集到的信息傳輸給控制中心，由控制中心對接收的數據進行分析和存儲。本次設計采用網絡化的視頻采集方式，視頻監控模塊主要由前端檢測設備、單片機和控制中心組成[3]。前端攝像機采集圖像，將收集到的信息傳輸給單片機，單片機將數據傳輸給控制中心，控制中心發送指令，使單片機控制前端設備按照要求調整監控角度。

2.3 ?防入侵模塊

防入侵模塊主要針對學校的一些重要場所，通過安裝報警探測器識別是否有入侵者，根據應用場合和用途以及元器件的功耗和價格，本設計采用熱釋電紅外線傳感器。當發生入侵時，紅外探測器檢測到人體發出的特定波長紅外線，產生報警電信號，核心單片機接受到電信號并對電信號進行分析，若滿足報警條件，則控制報警裝置工作。報警裝置以聲音報警為主，由蜂鳴器、電容、電阻組成，單片機通過異步串行口傳輸信息驅動報警裝置。當險情處理完畢或發生誤報時，可通過復位電路恢復防入侵模塊的正常工作。

2.4 ?火災探測模塊

校園中針對火災發生的應對方法有很多，比如室內消火栓系統、自動噴水滅火系統，而火災的發生不僅容易威脅人身和財產安全，還易造成人員的恐慌，因此校園安防系統需設置火災探測模塊。本設計火災檢測模塊的前端檢測設備為光電感煙探測器，當檢測到煙霧達到設定的數值時，將數據傳遞到核心芯片，核心芯片將信息傳遞給控制中心，同時發出報警，通知相關管理人員前往處理。

除了利用感煙探測器檢測外，還可以通過自動噴水系統或室內消火栓系統發出報警信號，當發生火災時，自動噴水系統噴頭受熱開始噴水，水流使水管內壓力變化，水流傳感器感受到水的流動發出報警信號。

2.5 ?顯示模塊

顯示模塊用于發生險情時顯示險情發生點，但由于校園險情發生情況不多，因此顯示模塊可能被閑置，因此設計顯示模塊可用于顯示日期時間以及日常環境的溫濕度。本系統選用的C8051F020單片機輸入輸出接口較多，但仍可能發生需要擴展外部接口的可能，因此顯示模塊選用CH451芯片來擴展顯示鍵盤接口。CH451芯片占用接口少且傳輸速度快，能很好的減少模塊的復雜性[4]。

CH451芯片與單片機的連接主要用到的四個引腳，分別是串行數據時鐘線 DCLK連接P6.0端口、串行數據輸入線 DIN連接P6.1端口、串行命令加載線LOAD連接P6.2端口、串行數據輸出線DOUT。同時使用到RST和RST#引腳用于實現復位功能。

2.6 ?溫濕度采集模塊

溫濕度的采集可以給安防管理人員提供必要的數據，根據這些數據可能更好的判斷各個采集點的狀況。本設計采用SHT11傳感器來檢測溫濕度，SHT11傳感器測量精準度高且精度可編程調節，內置A/D轉換器，可將搜集到的溫度和濕度信息轉換為數字信號。傳感器在溫度濕度較高的環境下可能會造成敏感度下降，影響測量數據的精確度，但SH11 芯片上集成了一個可通斷的加熱元件，能很好的避免凝露現象，但后期測量的數據需通過公式進行修正，否則容易造成偏差。

2.7 ?網絡傳輸模塊

網絡傳輸模塊將系統中各模塊采集的信息維系起來，單片機通過網絡傳輸模塊將收集的信息傳輸給控制中心，等待控制中心進行信息處理和命令下達。本設計選用CP2200作為網絡控制芯片，CP2200集成了IEEE 802.3以太網媒體訪問控制器、10BASE-T物理層、8kB非易失性Flash存儲器，通過CP2200能實現以太網智能節點硬件到軟件的設計，發揮出強大的通信與數據采集以及控制功能。

3 ?系統軟件設計

系統中各模塊除了必要的硬件部分以外還需要軟件的配合，比如對前端設備檢測的數據進行存儲和處理、核心部件對前端設備的控制、顯示模塊的分時復用等都需要軟件來實現功能。

3.1 ?核心程序構建

單片機采用外部晶體作為系統時鐘，當無險情發生時，顯示模塊用于顯示當前時間和溫濕度，因此在單片機和CH451初始化后需設定每秒刷新CH451以顯示當前時間。同時，各模塊可通過中斷，申請提取采集到的數據，按照中斷的優先等級，單片機進入到中斷子程序中響應相應的請求。

3.2 ?溫濕度模塊構建

溫濕度模塊通信采用串行二線接口SCK和DATA分別作為時鐘線和數據線。采集過程為：初始化SHT11→與SHT11建立通信→傳感器讀取溫度→送入CH451顯示當前溫度→傳感器讀取濕度→送入CH451顯示當前濕度→判斷按鍵是否松開→返回[5]。

3.3 ?密碼程序構建

密碼程序是當處理險情后或發生誤報時停止報警使用，將人為輸入的密碼與預先設定的密碼進行比對，若密碼正確則取消報警，若密碼錯誤，則給出密碼錯誤警告并判斷錯誤次數是否超過三次，若超過三次或超過輸入密碼時長則繼續報警。

3.4 ?火災報警程序構建

火災報警程序通過前端煙霧傳感器采集到的數據與預先設定的煙霧最大值進行比對，并綜合采集到的環境溫度來驅動報警，當同時滿足這兩個條件時驅動報警并進行滅火動作，當任意一個條件不滿足時，繼續監控，不發生報警。

3.5 ?視頻采集程序構建

視頻采集程序主要實現將采集的信息傳輸給控制中心以及實現控制中心對前端檢測設備的控制。前者可通過網絡傳輸模塊的傳輸協議實現，后者則需通過單片機來實現，實現的基本流程為：單片機初始化→接頭控制代碼→預置調用→判斷功能→調用→調用位置→檢測當前位置→與所調位置的對比→判斷中間的差值→方向操作→返回[5]。

3.6 ?防入侵程序構建

防入侵程序通過不斷地檢測是否有報警信息實現入侵報警和地點的判斷。單片機初始化后開始進行循環檢測判斷有無報警，若檢測到報警則經過延時再次檢測該端口，若仍檢測到報警則顯示報警信息并發出報警信號;若沒有檢測到報警則繼續循環檢測。

4 ?總結

本文主要介紹了基于單片機的校園安防系統的設計，分別從硬件和軟件兩個方面介紹了系統的視頻采集、防入侵、火災探測、顯示、溫濕度采集、數據傳輸等模塊的設計，為校園的安防管理提供了便捷。但由于資金以及時間的限制，本系統有些功能未達到預期效果，還需進一步加強，系統也可通過進一步開發更加完善。

參考文獻

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